Il Superammasso Laniakea. Crediti: Andrew Z. Colvin
Uno dei più grandi misteri della cosmologia moderna è la cosiddetta tensione di Hubble, che deriva dalla nostra apparente incapacità di determinare con precisione e in modo univoco la velocità di espansione cosmica. Esistono diversi modi per calcolare tale velocità, dall’osservazione delle supernove lontane alla misurazione delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo a microonde. Sarebbe ovviamente auspicabile ottenere lo stesso risultato, con i diversi metodi, ma purtroppo non è così: le varie misure danno risultati leggermente diversi. Forse non comprendiamo appieno la struttura dell’universo, o forse la nostra visione del cielo è distorta, ad esempio dal fatto che ci troviamo in un superammasso di galassie, conosciuto come Laniakea. Uno studio appena pubblicato su Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, provando a far luce sull’effettiva influenza di Laniakea, conclude che in realtà il problema potrebbe essere ancora più grave. Il primo autore dello studio in questione è Leonardo Giani dell’Università del Queensland, in Australia, che abbiamo raggiunto per farci raccontare i dettagli di questa interessante ricerca.
Giani, che cos’è il superammasso di Laniakea?
«Laniakea è quella che tecnicamente viene definita large-scale structure o struttura cosmica di grande scala. Il nome ha origine hawaiana, e può essere tradotto con “paradiso immenso”. Dato che questa struttura contiene la Via Lattea, è spesso chiamata “la nostra casa nel cosmo” o “la nostra casa superammasso”. La densità media di materia oscura in questa regione è circa l’un per cento maggiore che nel resto dell’universo, e di conseguenza contiene un grande numero di galassie intrappolate dal suo campo gravitazionale (circa 100mila). Per avere un’idea della dimensione, occupa lo stesso volume di una sfera di raggio tra i 100 e i 150 megaparsec (Mpc, ovvero centinaia di milioni di anni luce). Il numero esatto dipende dal valore della costante di Hubble, il cui valore preciso è uno dei più grandi misteri dell’astrofisica moderna».
Come si fa per identificarla? A riconoscerne i confini?
«Per identificarla, un team di scienziati nell’ambito del progetto “Cosmic Flows” ha misurato migliaia di velocità peculiari di galassie, e costruito una mappa della loro distribuzione nell’universo locale. Il nome velocità peculiari deriva dal fatto che queste sono le velocità ottenute dopo aver sottratto quelle dovute all’espansione dell’universo. A titolo di esempio, se vedessimo un individuo correre in una barca che si allontana da noi, la sua velocità peculiare sarebbe la velocità a cui corre nella barca, non la velocità totale della barca sommata a quella della sua corsa. In poche parole, queste velocità possono essere negative, ovvero l’individuo potrebbe correre verso di noi, anche se la barca si allontana. Collezionando queste velocità è possibile distinguere regioni dell’universo dove la gravità trattiene le galassie, in gergo tecnico gravitational basins. Laniakea è appunto il gravitational basin che contiene la Via Lattea».
Nato a Ragusa, Leonardo Giani ha studiato fisica all’Università di Bologna dove nel 2016 ha ottenuto la laurea magistrale in Fisica Teorica. Successivamente, ha conseguito un dottorato in Astrofisica e Cosmologia a Vitoria, in Brasile. Attualmente è Postdoctoral fellow all’Università del Queensland, a Brisbane (Australia), dove studia la natura dell’energia e della materia oscura. Crediti: L. Giani
In che modo Laniakea può influenzare la velocità di espansione dell’universo?
«Per misurare la velocità di espansione dell’universo utilizziamo delle sorgenti di luce di cui conosciamo la luminosità intrinseca, in gergo candele standard, per esempio le supernove di tipo Ia. Per via dell’espansione dell’universo, queste candele si allontanano da noi e la loro luce subisce un effetto doppler che rende il loro colore apparente più rosso. L’idea alla base del nostro lavoro è che il tasso di espansione dell’universo dentro Laniakea è leggermente differente da quello all’esterno a causa della differente distribuzione di materia oscura. In relatività generale la curvatura dello spaziotempo (che causa l’espansione dell’universo) dipende dalla quantità di materia ed energia al suo interno, ed è dunque naturale che un superammasso delle dimensioni di Laniakea possa influenzarla (localmente). Non tenendo conto di questo differente tasso di espansione all’interno di Laniakea, il tasso di espansione misurato con una supernova al suo esterno diventa una media pesata dei due. Il nostro lavoro fornisce una prescrizione per calcolare opportunamente questa media pesata».
E cosa avete scoperto?
«La forma di Laniakea è estremamente complicata, e dunque in principio non è facile ottenere “correzioni” per le luminosità di tutte le candele standard. Nel nostro studio suggeriamo che in prima approssimazione Laniakea possa essere descritta come un ellissoide omogeneo (da cui il termine effective model) il cui tasso di espansione lungo due assi principali è leggermente più piccolo di quello del resto dell’universo, e leggermente più grande nel terzo. Nonostante la semplicità, l’approssimazione descrive notevolmente bene la distribuzione statistica delle velocità all’interno di Laniakea. Data la semplicità del modello ellissoidale, è facile calcolare per ogni sorgente (per esempio ogni supernova) la correzione per le loro luminosità, che sarà differente a seconda della direzione del cielo in cui si trovano (per esempio positiva lungo l’asse che espande più velocemente che il resto dell’universo). Quando applicate al più importante catalogo di supernove utilizzate per la misura del tasso di espansione, troviamo che queste correzioni inducono una variazione della costante di Hubble dell’ordine di 0.5 km/s/Mpc. Applicate a un altro catalogo di candele standard, in gergo Sbf (acronimo di surface brightness fluctuations), la correzione della costante di Hubble è di 1.1 km/s/Mpc».
Vi aspettavate questo risultato?
«Personalmente no. La nostra motivazione principale dietro l’analisi è la cosiddetta tensione di Hubble, uno dei più importanti enigmi della cosmologia moderna. In breve, le misure della costante di Hubble ottenute analizzando supernove (e altre sorgenti locali) e quelle ottenute tramite le fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo (e altre sorgenti dell’universo primordiale) discordano significativamente. Dato che le prime non sono distribuite omogeneamente nel cielo, la nostra speranza era che l’anisotropia (termine tecnico per identificare asimmetria spaziale) di Laniakea potesse essere responsabile, almeno in parte. In parole povere, se le supernove fossero distribuite per lo più nelle direzioni in cui Laniakea espande più velocemente del resto dell’universo, le correzioni indotte tenderebbero ad alleviare la tensione di Hubble. Tuttavia, la maggioranza di queste si trova in direzioni in cui Laniakea espande più lentamente, e il risultato ottenuto è esattamente l’opposto. Riassumendo, il nostro studio peggiora (leggermente) la tensione di Hubble».
Per saperne di più:
- Leggi su Journal of Cosmology and Astroparticle Physics l’articolo “An effective description of Laniakea: impact on cosmology and the local determination of the Hubble constant“, di Leonardo Giani, Cullan Howlett, Khaled Said, Tamara Davis e Sunny Vagnozzi